Kollagen

Kollagen  er et glykoprotein, et fibrillært protein , der danner grundlaget for kroppens bindevæv ( sener , knogler , brusk , dermis osv.) og sikrer dets styrke og elasticitet. Kollagen er fundet i dyr ; fraværende i planter , bakterier , vira , protozoer og svampe [1] . Kollagen er hovedbestanddelen af ​​bindevæv og det mest udbredte protein i pattedyr [2], som udgør fra 25 % til 45 % af proteinerne i hele kroppen. Kollagensyntese er meget energikrævende og forekommer kun hos dyr, der bruger ilt . Fremkomsten af ​​kollagen gjorde det muligt at skabe et skelet, både eksternt og internt, og dramatisk øge størrelsen af ​​dyr under den kambriske eksplosion .

Forskningshistorie

Forskere i årtier kunne ikke forstå den molekylære struktur af kollagen. Det første bevis på, at kollagen har en permanent struktur på molekylært niveau, blev præsenteret i midten af ​​1930'erne. Siden dengang har mange fremtrædende videnskabsmænd, herunder nobelpristagere som Francis Crick , Linus Pauling , Alexander Rich , Ada Yonath , Helen Berman, Vileainur Ramachandran , arbejdet på strukturen af ​​kollagenmonomeren.

Adskillige modstridende modeller (på trods af den kendte struktur af hver enkelt peptidkæde) gav plads til skabelsen af ​​en ternær-spiralformet model, der forklarede den kvaternære struktur af kollagenmolekylet.

Egenskaber

Produktet af kollagen denaturering er gelatine . Temperaturen af ​​kollagen makromolekyle denaturering er tæt på temperaturen af ​​fibrillogenese. Denne egenskab ved kollagenmolekylet gør det mest følsomt over for mutationssubstitutioner.

Fibrillogenese er dannelsen af ​​kollagenfibre i bindevævet ved at samle eller kombinere til bundter af fibriller - tynde proteinfilamentøse strukturer inde i celler og væv i den menneskelige krop. Fibrillogenese er vigtig i processen med indpodning af implantatet og skabelsen af ​​et stærkt, korrekt fungerende tyggesystem på grundlag heraf. Jo stærkere kollagenfibrene er skabt i processen med fibrillogenese, jo stærkere er bindevævet.

Struktur

Kollagenmolekylet er en venstrehåndet helix af tre α-kæder. Denne dannelse er kendt som tropocollagen [3] . En omgang af α-kædespiralen indeholder tre aminosyrerester . Kollagens molekylvægt er ca. 300 kDa , længde 300 nm , tykkelse 1,5 nm.

Proteinets primære struktur er karakteriseret ved et højt indhold af glycin , et lavt indhold af svovlholdige aminosyrer og fravær af tryptofan . Kollagen er et af de få proteiner af animalsk oprindelse, der indeholder ikke-standardiserede aminosyrerester : omkring 21% af de samlede rester er 3-hydroxyprolin , 4-hydroxyprolin og 5-hydroxylysin [4] . Hver af α-kæderne består af triader af aminosyrer. I triader er den tredje aminosyre altid glycin, den anden er prolin eller lysin , den første er enhver anden aminosyre, bortset fra de tre anførte [3] .

Kollagen findes i flere former. Grundlaget for strukturen af ​​alle typer kollagen er ens. Kollagenfibre dannes ved aggregering af mikrofibriller, de er lyserøde, når de farves med hæmatoxylin og eosin og blå eller grønne med forskellige tre-krompletter; når de er imprægneret med sølv, bliver de brun-gule.

Fibrillær struktur

Tropocollagener (strukturelle enheder af kollagen) kombineres spontant, hæfter til hinanden med ender forskudt med en vis afstand, og danner større strukturer i det intercellulære stof. I fibrillære kollagener er molekylerne forskudt i forhold til hinanden med ca. 67 nm (enheden, som er betegnet med bogstavet "D" og varierer afhængigt af stoffets hydreringstilstand ). Generelt indeholder hver D-periode fire hele og en del af det femte kollagenmolekyle. Værdien af ​​300 nm divideret med 67 nm (300:67) giver ikke et heltal, og længden af ​​kollagenmolekylet er opdelt i segmenter D, der ikke er konstante i størrelse. Derfor, i forbindelse med hver gentagelse af D. -periode af mikrofibrillen, er der en del bestående af fem molekyler, kaldet "overlap", og en del bestående af fire molekyler - "gab". Tropokollagenerne er også arrangeret i et hexagonalt eller pseudo-hexagonalt (i tværsnit) design i hver "overlap" og "gab" region.

Inden for tropocollagen er der en kovalent binding mellem kæderne, såvel som en variabel mængde af disse bindinger mellem tropocollagen helixerne selv, der danner velorganiserede strukturer (f.eks. fibriller ). Tykkere fibrilbundter dannes af flere andre klasser af proteiner, herunder andre typer kollagener, glycoproteiner , proteoglycaner , der bruges til at danne forskellige typer væv fra forskellige kombinationer af de samme basisproteiner. Kollagens uopløselighed var en hindring for studiet af kollagenmonomeren, indtil det blev fundet, at det var muligt at udvinde ungdyrtropocollagen , fordi det endnu ikke havde dannet stærke bindinger med andre fibrilunderenheder. Forbedringer i mikroskoper og røntgenmaskiner gjorde dog forskningen lettere, og der dukkede flere og mere detaljerede billeder af kollagenmolekylets struktur op. Disse sene opdagelser er meget vigtige for en bedre forståelse af, hvordan strukturen af ​​kollagen påvirker forbindelserne mellem celler og det intercellulære stof , hvordan væv ændrer sig under vækst og regenerering , hvordan de ændrer sig under embryonal udvikling og patologi .

En kollagenfibril er en semi-krystallinsk strukturel enhed af kollagen. Kollagenfibre er bundter af fibriller.

Brug

Fødevareindustrien

Fra et ernæringsmæssigt synspunkt er kollagenhydrolysat og gelatine proteiner af lav kvalitet, da de ikke indeholder alle de essentielle aminosyrer, som en person har brug for - disse er ufuldstændige proteiner. Relativt billige, som ofte tilbydes på markedet i dag under dække af en kilde til frie aminosyrer, er kollagenhydrolysater ikke altid i stand til at tilfredsstille menneskets behov for frie aminosyrer, da disse produkter ikke indeholder aminosyrer klar til assimilering.

For eksempel er kollagenhydrolysater næsten fuldstændigt blottet for aminosyren L - glutamin , (ikke en essentiel aminosyre) der ikke adskiller sig i modstandsdygtighed over for termiske effekter og langtidslagring af råvarer, det meste af glutaminen ødelægges allerede kl. de første stadier af opbevaring og forarbejdning af råmaterialer, nedbrydes den eksisterende lille rest næsten fuldstændigt under termisk ekstraktion af brusk.

Kosmetik

Kollagen er en del af kosmetiske produkter til:

1. Dannelsen af ​​et åndbart, fugtbevarende lag på overfladen af ​​huden, som har blødgørende (udjævnende) egenskaber, med egenskaberne af en våd kompres;
2. Forlængelse af virkningen af ​​ekstrakter, olier osv. i sammensætningen af ​​kosmetiske sammensætninger;
3. Giver glans til håret, skaber et kollagen (beskyttende) lag på overfladen af ​​håret.

Videnskabelig forskning

I 2005 var videnskabsmænd i stand til at isolere kollagen fra det bevarede bløde væv fra en Tyrannosaurus rex [5] og bruge dens kemiske sammensætning som endnu et bevis på dinosaurernes forhold til moderne fugle [6] .

Videnskabelig forskning i medicin

Kollagensyntese er en kompleks enzymatisk flertrinsproces, der skal forsynes med en tilstrækkelig mængde vitaminer og mineraler. Syntese finder sted i fibroblasten og en række stadier uden for fibroblasten . Et vigtigt punkt i syntesen er hydroxyleringsreaktionerne, som åbner vejen for yderligere modifikationer, der er nødvendige for modningen af ​​kollagen. Specifikke enzymer katalyserer hydroxyleringsreaktioner. Således katalyseres dannelsen af ​​4-hydroxyprolin af prolinhydroxylase , i hvis aktive centrum der er jern. Enzymet er aktivt, hvis jernet er i den divalente form, som leveres af ascorbinsyre (C-vitamin). Ascorbinsyremangel forstyrrer hydroxyleringsprocessen, som påvirker de yderligere stadier af kollagensyntese: glycosylering , spaltning af N- og C-terminale peptider osv. Som et resultat syntetiseres unormalt kollagen, mere løst. Disse ændringer ligger til grund for udviklingen af ​​skørbug . Kollagen og elastin danner en slags "basis" for huden, som forhindrer den i at falde, sikrer dens elasticitet og fasthed. Også den vigtigste komponent i bindevæv er keratin - en familie af fibrillære proteiner med mekanisk styrke, som blandt materialer af biologisk oprindelse kun er næst efter kitin . Keratiner består hovedsageligt af hornede derivater af hudens epidermis - sådanne strukturer som hår, negle, horn, fjer osv.

Fotografering

Protein er grundlaget for fotografisk gelatine , som sammen med sølvhalogenidmikrokrystaller danner en fotografisk emulsion . Ved modtagelse af fotografisk gelatine denatureres kollagen med syre eller alkali . En fotografisk emulsion påført i et tyndt lag på en celluloidfilm, glas eller papir og derefter tørret, er det lysfølsomme lag af et fotografisk materiale (f.eks. fotografisk film).

Typer af kollagen

I øjeblikket er 28 typer kollagen blevet beskrevet, som er kodet af mere end 40 gener. De adskiller sig fra hinanden i aminosyresekvens, såvel som i graden af ​​modifikation - intensiteten af ​​hydroxylering eller glycosylering. Fælles for alle kollagener er eksistensen af ​​1 eller flere domæner indeholdende en tredobbelt helix og deres tilstedeværelse i den ekstracellulære matrix . Mere end 90 % af det samlede kollagen fra højere organismer er kollagen type I, II, III og IV.

Ud over kollagenproteiner er der mange andre proteiner, der i deres struktur indeholder et collagen triple helix domæne [7] [8] . Og ikke desto mindre er de ikke klassificeret som kollagener, men kun som "kollagenlignende". En stor gruppe af kollagenlignende proteiner omfatter C1q komplement-subkomponenten, C1q-lignende faktor, adiponectin, colectiner og ficoliner, den terminale struktur af acetylcholinestarase, tre makrofagreceptorer, ectodysplasin og EMILIN. Disse proteiner spiller ligesom kollagener en strukturel og regulerende rolle.

Kollagen af ​​den første type, den mest arketypiske, er et trimerisk protein, der samles til tredobbelte helixer uden brud, selvsamler til fibriller og har den højeste mekaniske styrke. I mellemtiden adskiller alle andre kollagener sig fra det i et eller flere aspekter. Nogle kollagener har brud i den tredobbelte helix og samles ikke nødvendigvis til fibriller.

Medicinske aspekter

Krænkelser af kollagensyntese i kroppen ligger til grund for sådanne arvelige sygdomme som dermatosporakse hos dyr, lathyrisme (karakteriseret ved løse led , sædvanlige dislokationer ), Ehlers-Danlos syndrom (op til 14 typer af manifestationer), osteogenesis imperfecta ("glasmand" sygdom, medfødt rakitis , medfødt skrøbelighed af knogler ), Marfans sygdom , cystisk fibrose .

En karakteristisk manifestation af disse sygdomme er beskadigelse af ligamentapparatet , brusk , knoglesystem , tilstedeværelsen af ​​hjerteklapdefekter .

Sygdomme forårsaget af defekter i kollagenbiosyntesen, herunder såkaldte kollagenoser, opstår af en række forskellige årsager. Dette kan skyldes en mutation i genet, der koder for aminosyresekvensen af ​​kollagenproducerende enzymer, hvilket resulterer i en ændring i kollagenmolekylets form eller en fejl i den post-translationelle modifikation af kollagen. Sygdomme kan også være forårsaget af mangel eller "fejlfunktion" af enzymer involveret i kollagenbiosyntese - mangel på hydroxyleringsenzymer ( prolin- , lysinhydroxylase ), glycosyltransferaser , N-procollagen og C-procollagen peptidaser , lysyloxidase med efterfølgende krænkelse af kryds -links, mangel på kobber, vitaminer B 6 , B 13 ( orotinsyre ), C . Ved erhvervede sygdomme som skørbug kan genoprettelse af enzymbalancen til normal føre til en fuldstændig helbredelse.

Næsten enhver genmutation fører til tab eller ændring af kollagens funktioner, hvilket igen påvirker egenskaberne af væv og organer. Genmutationer i kollagendomænet kan føre til en ændring i formen af ​​den tredobbelte helix ved insertion/deletion af en aminosyre fra polypeptidkæden eller udskiftning af Gly med en anden base. Mutationer i ikke-kollagene domæner kan føre til fejlsamling af a-kæder til supramolekylære strukturer (fibriller eller netværk), hvilket også fører til tab af funktion. Mutante a-kæder er i stand til at danne et trestrenget kompleks med normale a-kæder. I de fleste tilfælde er sådanne komplekser ustabile og nedbrydes hurtigt, dog kan et sådant molekyle normalt udføre sin rolle, hvis funktionelt vigtige områder ikke påvirkes. De fleste sygdomme forårsaget af mutationer i "kollagen"-gener er dominerende .

Noter

1. ↑ Fibrillært kollagen: nøglen til hvirveldyrs evolution? En fortælling om molekylær incest. Boot-Handford RP, Tuckwell DS. bioessays. 2003 Feb;25(2):142-51.
2. ↑ Di Lullo, Gloria A.; Sweeney, Shawn M.; Korkko, Jarmo; Ala-Kokko, Leena; San Antonio, James D. Kortlægning af ligandbindingssteder og sygdomsassocierede mutationer på det mest udbredte protein i mennesket, type I kollagen  //  J. Biol. Chem.  : journal. - 2002. - Bd. 277 , nr. 6 . - P. 4223-4231 . - doi : 10.1074/jbc.M110709200 . — PMID 11704682 .
3. ↑ 1 2 Tropocollagen (Tropocollagen) // Medicinske termer . - 2000. (Russisk) i ordbogen dic.academic.ru
4. ↑ Kemisk encyklopædi / red. I. L. Knunyants. - M. : Sovjetisk encyklopædi, 1988.
5. ↑ BBC | Videnskab og teknologi | Fundet blødt væv fra Tyrannosaurus rex? Arkiveret 18. januar 2008 på Wayback Machine  - 25. marts 2005
6. ↑ Elements - Science News: Kollagen fra dinosaurknogler er allerede en realitet Arkiveret 18. maj 2008 på Wayback Machine . - 20.04.07
7. ↑ Franzke CW, Bruckner P, Bruckner-Tuderman L. Kollagenøse transmembrane proteiner: nyere indsigt i biologi og patologi. J Biol Chem. 2005 11. februar;280(6):4005-8.
8. ↑ Hoppe HJ, Reid KB. Collectiner - opløselige proteiner indeholdende kollagene regioner og lectindomæner - og deres roller i medfødt immunitet. Protein Sci. 1994 Aug;3(8):1143-58

Litteratur

• Kollagen // Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 bind]  / kap. udg. A. M. Prokhorov . - 3. udg. - M .  : Sovjetisk encyklopædi, 1969-1978.

Tematiske steder	FMA
Ordbøger og encyklopædier	Flot dansk Stor russer Britannica (online) Brockhaus Brockhaus Universalis
I bibliografiske kataloger	GND : 4164652-6 J9U : 987007284186005171 LCCN : sh85027969 NDL : 00566622 NKC : ph205184